-
SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA
ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY
Ing. Juraj Kubica
Autoreferát dizertačnej práce
Parametrický model bioplynovej stanice na získanie akademického
titulu philosophiae doctor (PhD.)
v doktorandskom študijnom programe: 5.2.30 Elektroenergetika
Bratislava, január 2013
-
Dizertačná práca bola vypracovaná v dennej forme doktorandského
štúdia na Oddelení elektroenergetiky ÚEAE FEI STU v Bratislave.
Predkladateľ: Ing. Juraj Kubica
Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky Fakulta
elektrotechniky a informatiky Slovenská technická univerzita v
Bratislave Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava
Školiteľ: prof. Ing. František Janíček, PhD.
Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky Fakulta
elektrotechniky a informatiky Slovenská technická univerzita v
Bratislave Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava
Oponenti: prof. Ing. Juraj Altus, PhD.
Elektrotechnická fakulta – KVES Žilinská univerzita v Žiline
Univerzitná 1, 010 26 Žilina
prof. Ing. Ján Gaduš, PhD. Technická fakulta – CV OZE Slovenská
poľnohospodárska univerzita v Nitre Trieda A. Hlinku 2, 949 76
Nitra
Autoreferát bol rozoslaný:
.........................................................
Obhajoba dizertačnej práce sa koná:
......................................... o
............................ hod. na FEI STU v Bratislave,
Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava 1.
..............................................................
prof. RNDr. Gabriel Juhás, PhD.
dekan FEI STU v Bratislave
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 3
Obsah Úvod
........................................................................................................................................................................
4 Tézy a ciele dizertačnej práce
...............................................................................................................................
4 1. Biomasa
...............................................................................................................................................................
5
Vznik biomasy
.....................................................................................................................................................
5 Energetický potenciál biomasy
............................................................................................................................
5 Rozdelenie biomasy
............................................................................................................................................
6 Motivácia využívať biomasu
...............................................................................................................................
6
2. Produkty spracovania biomasy
............................................................................................................................
7 Bioplyn a biometán
.............................................................................................................................................
7 Materiály vhodné na fermentáciu
........................................................................................................................
8
3. Technológie na využitie biomasy
........................................................................................................................
8 Energetické využitie biomasy
..............................................................................................................................
8 Anaeróbna fermentácia
........................................................................................................................................
9 Úprava bioplynu
..................................................................................................................................................
9 Fermentor
..........................................................................................................................................................
10 Kogeneračné jednotky
.......................................................................................................................................
10 Palivové články
.................................................................................................................................................
10 Typy palivových článkov
..................................................................................................................................
11
4. Parametrický model využitia biomasy
...............................................................................................................
11 Koncepcia prvkov parametrického modelu
.......................................................................................................
11 Vstupné parametre modelu
................................................................................................................................
11 Produkty a odpady
.............................................................................................................................................
11 Opis modelu bioplynovej stanice
......................................................................................................................
12 Vstupy bioplynového procesu
...........................................................................................................................
13 Experimentálna bioplynová stanica STU na suchú fermentáciu
.......................................................................
14 Experimentálna prevádzka bioplynovej stanice
................................................................................................
15
5. Potenciál bioplynu na Slovensku
.......................................................................................................................
15 Poľnohospodárska biomasa
...............................................................................................................................
15 Produkcia živočíšnych exkrementov
.................................................................................................................
16 Bioplynové stanice na Slovensku
......................................................................................................................
16
Záver
.....................................................................................................................................................................
16 Vedecký a praktický prínos práce
.....................................................................................................................
16 Summary
..............................................................................................................................................................
17 Zoznam použitej literatúry
................................................................................................................................
17 Vybrané publikácie autora
....................................................................................................................................
19
-
autoreferát dizertačnej práce
4
Úvod Stratégia vyššieho využitia obnoviteľných zdrojov energie v
Slovenskej republike [24] uvádza, že biomasa je zdroj s najvyšším
využiteľným potenciálom na Slovensku. Tento potenciál sa dá využiť
na energetické účely rôznymi spôsobmi, najmä na:
a) priame spaľovanie (vykurovanie drevom, spoluspaľovanie slamy
v uhoľných elektrárňach),
b) výrobu biopalív (bioetanol, metylester repkového oleja), c)
anaeróbnu fermentácia bioplynu na kombinovanú výrobu elektriny a
tepla.
Fermentácia biomasy na výrobu bioplynu umožňuje z rozličných
vstupných zdrojov vyrábať univerzálny energetický nosič – metán –
ktorý tvorí základnú zložku bioplynu. Zároveň je biomasa
obnoviteľný a domáci zdroj s veľkou celkovou kapacitou a s
možnosťou regulácie jeho čerpania na rozdiel od neobnoviteľných
fosílnych palív, alebo ťažko ovládateľných obnoviteľných zdrojov
ako sú veterné a fotovoltické elektrárne. Autor vyvíjal model
bioplynovej stanice súčasne s prácou na projektovaní reálnych
bioplynových staníc na Slovensku. Časť tohto modelu bola odvodená
na základe vlastného know-how pri dimenzovaní kapacity fermentorov,
objemu vyvíjaného bioplynu, hltnosti plynu do kogeneračných
jednotiek a prepočte energetických aj ekonomických parametrov.
Počas predchádzajúceho štúdia autor absolvoval 4-mesačnú stáž v
nemeckej firme MTU-CFC v Mníchove, kde pracoval v oddelení vývoja
stacionárnych palivových článkov s jednotkovým výkonom 250 kWe. Do
modelu bioplynovej stanice preto zahrnul aj porovnanie palivových
článkov voči kogeneračným jednotkám so spaľovacím motorom. Na
stanovenie energetického potenciálu bioplynu na Slovensku z
dostupných zdrojov biomasy (pri udržateľnej spotrebe) je nevyhnutné
vytvoriť veľký počet predpokladov o takých položkách, ako sú ceny a
využitie pôdy, spôsoby obhospodarovania pôdy, rozvoj priemyslu,
alternatívne využitie, exportné požiadavky, ceny fosílnych palív a
štátna politika. Predmetom tejto práce je zostaviť model, ktorý
tieto predpoklady spojí s dostupnými údajmi a vytvorí tak pružný
model na základe ktorého bude možné určiť jednak celkový potenciál
pre určité územie ako aj potenciál pre jednotlivé konkrétne
prevádzky, ktoré si naplánujú investori. Tézy a ciele dizertačnej
práce Na vyhodnocovanie technickej realizovateľnosti, energetického
prínosu a ekonomickej rentability bioplynových staníc vyrábajúcich
bioplyn a vedľajšie energeticky využiteľné produkty je potrebné
vytvoriť objektivizovaný mechanizmus posudzovania, ktorý zohľadní
komplexné súvislosti medzi dostupnou vstupnou surovinou,
využiteľnými technológiami na jej zužitkovanie, vplyvmi na životné
prostredie, ktoré vytvárajú tieto technológie a ekonomickou
rentabilitou celého komplexu. Metódy riešenia a očakávané
výsledky
1. Syntéza a presné definovanie parametrického modelu na
vyhodnocovanie energetických, technických, environmentálnych a
ekonomických prínosov výstavby a prevádzky bioplynovej stanice v
podmienkach Slovenskej republiky.
2. Vyhodnotenie potenciálu technicky a ekonomicky dostupnej
biomasy na výrobu energetických nosičov v bioplynových
staniciach.
3. Aplikácia vytvoreného modelu na výpočet variantných vzorových
riešení funkčných bioplynových staníc na základe výstupov z
vlastného parametrického modelu.
4. Implementácia vytvoreného modelu do programu na
vyhodnocovanie vstupných údajov podľa vlastného parametrického
modelu.
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 5
1. Biomasa Biomasa je organická hmota rastlinného alebo
živočíšneho pôvodu. Je získavaná ako odpad z prvovýroby, alebo ako
komunálny odpad. Rastlinná biomasa môže byť zámerne pestovaná vo
forme energetických plodín v poľnohospodárstve a v lesníctve.
Výhodne sa dá zužitkovať aj odpadová biomasa z živočíšnej výroby,
alebo potravinárskeho priemyslu. Efektívne využívanie biomasy má
minimálny vplyv na produkciu skleníkových plynov a na životné
prostredie ako celok.
Vznik biomasy Zelené rastliny na svoj rast potrebujú vodu zo
zeme a oxid uhličitý z atmosféry, ktoré procesom fotosyntézy
pretvárajú na uhľovodíky – stavebné články živých organizmov na
Zemi. Slnečná energia, ktorá je hybnou silou fotosyntézy je
uskladnená v chemických väzbách tohto organického materiálu.
Chlorofyl pohlcuje svetlo v červenej a modrej oblasti viditeľného
spektra, a preto sa javí zelený. Behom fotosyntézy transformuje
energiu svetla na chemickú energiu. [20] Pri fotosyntéze vzniká z
oxidu uhličitého a vody za spolupôsobenia enzýmov, chlorofylu a
svetelnej energie veľké množstvo organických látok. Pri
fotochemických reakciách sa redukuje oxid uhličitý na cukry a voda
sa oxiduje za vzniku molekulového kyslíka. Každý mol fixovaného
uhlíka v sebe ukladá aj 470 kJ využiteľnej energie [39].
Mechanizmus fotosyntézy prebieha nasledovne, pričom nutnou
podmienkou je svetelné žiarenie: 6CO2 + 12H2O + 2830 kJ + chlorofyl
→ (CH2O)6 + 6H2O + 6O2 (1.1) oxid uhličitý + voda + energia +
chlorofyl → glukóza + voda + kyslík Pri spaľovaní biomasy opätovne
získavame energiu uskladnenú v chemických väzbách. Kyslík zo
vzduchu sa spája s uhlíkom v rastline, pričom vzniká oxid uhličitý
a voda. Tento proces je cyklicky uzatvorený, pretože vznikajúci
oxid uhličitý je vstupnou látkou pre novú biomasu. [25]
Alternatívne k prírodným procesom fixácie uhlíka pri fotosyntéze je
syntéza atmosférického CO2. V súčasnosti (2012) je podiel oxidu
uhličitého v atmosfére 390 ppm a rastie najmä v dôsledku spaľovania
fosílnych palív. Keďže z chemickej premeny oxidu uhličitého už nie
je možné získať ďalšiu energiu, na jeho premenu je potrebná
dodatočná energia. Tú je možné získať napríklad redukciou s vodíkom
za vzniku metánu (CH4): CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O. (1.2) Ak tento
proces prebieha v ideálnych podmienkach, reakcia je exotermická a
na každý mol metánu sa uvoľní 165 kJ (štandardná entalpia) [40].
Vodík potrebný na reakciu je možné získavať čiastočnou oxidáciou
pri parnej reformácii.
Energetický potenciál biomasy Na zemský povrch dopadá priemerne
220 W/m2. Odhad celkovej ročnej produkcie suchej biomasy je 171 Gt
ročne, pričom priemerná výhrevnosť suchej biomasy je 18,6 GJ/t.
Veľká väčšina z toho množstva je samozrejme technicky nevyužiteľná.
No ročná spotreba celej planetárnej civilizácie dosahuje 400 EJ, čo
v porovnaní s energetickým obsahom biomasy znamená, že na pokrytie
spotreby ľudstva by stačilo len cca 18 Gt suchej biomasy (približne
desatina). Všetky tieto údaje sú odhady zaťažené značnou neistotou,
ale zmyslom tohto číselného porovnania je poukázať na veľkosť
zatiaľ nedostatočne využívaného obnoviteľného zdroja energie. [39,
41] Oprávnenou výhradou proti vyššiemu využitiu biomasy na
energetické účely je poukázanie na rastúce ceny poľnohospodárskej
produkcie a na podvýživu v niektorých oblastiach. Vzťah využívania
potravinárskej produkcie najmä pri kukurici a pšenici voči výrobe
biopalív je dokumentovaný v odbornej literatúre. Taktiež je
nevyhnutné zohľadniť množstvo energie spotrebovanej na premenu
primárnej rastlinnej produkcie na finálny produkt, napríklad
bioetanol – čiže započítanie energie potrebnej na obhospodarovanie
polí, na zber a dopravu úrody a na technologický proces spracovania
biomasy v rafinérii. Aj po zohľadnení spomínaných faktorov je však
možné identifikovať také zdroje biomasy
-
autoreferát dizertačnej práce
6
a také technologické procesy, pri ktorých je biomasa zužitkovaná
efektívne a zmysluplne. Ilustratívne uvádzame napríklad druhú
generáciu biopalív, čiže alkoholy vyrábané plodín pestovaných na
pôde, ktorá nie je vhodná na pestovanie potravín, alebo využitie
tráv a rias. Ešte iná je problematika spracovania odpadovej
biomasy, ktorá je dnes využívaná iba čiastočne (napríklad odpady z
potravinárskeho priemyslu využívané ako krmoviny pre hospodárske
zvieratá), alebo je jej využitie vyslovene nedostatočné (príkladom
je likvidácia hnoja hospodárskych zvierat, ktorý často ohrozuje
životné prostredie, hoci po využití na anaeróbnu fermentáciu je ho
možné zhodnotiť ešte ako kvalitné organické hnojivo). Z hľadiska
energetického využitia biomasy sú najdôležitejšími vlastnosťami
paliva výhrevnosť a spalné teplo. Spalné teplo Qs [MJ·kg-1] aj
výhrevnosť Qi je teplo uvoľnené dokonalým spálením 1 kg paliva, ale
systematický rozdiel medzi týmito veličinami je vo výparnom teple
vody. Výhrevnosť sa vypočíta zo spalného tepla odpočítaním
výparného tepla vody Qv. V mnohých prípadoch sa spalné teplo a
výhrevnosť vyjadruje pomocou jednotiek kWh·kg-1. Pre prepočet platí
1 kWh·kg-1 = 3,6 MJ·kg-1. Výhrevnosť suchého dreva je vysoká a
pohybuje sa od 18 do 19 MJ·kg-1. Pomerne vysokú výhrevnosť má suchá
slama z rôznych druhov obilnín, suché obilniny a traviny, a to v
rozsahu 16,5 až 17,5 MJ·kg-1. V skutočnosti však biomasa obsahuje
vždy najmenej 10 % vody. Vlhkosť slamy v balíkoch uskladnených v
halových skladoch alebo v zakrytých stohoch dosahuje 14 až 16 %.
[57] Pri horení sa táto voda odparuje a tým znižuje základnú
výhrevnosť sušiny biomasy.
Rozdelenie biomasy Biomasu môžeme rozdeľovať z viacerých
hľadísk. Pre účely tejto práce sa javí ako najvhodnejšie rozdelenie
podľa pôvodu:
1. Rastlinná biomasa a) dendromasa (drevo, kôra, drevárske
zvyšky) b) fytomasa (zelené časti, slama)
2. Živočíšna biomasa a) exkrementy chovných zvierat b) kafilérne
zvyšky
3. Priemyselné biologické odpady a) odpady z potravinárskeho
priemyslu b) čističkové kaly
Zvlášť je potrebné zdôrazniť vlastnosti lignocelulózovej
biomasy. Najčastejšie do tejto kategórie patrí dendromasa.
Motivácia využívať biomasu Biomasa je obnoviteľný a domáci zdroj
s veľkou celkovou kapacitou. Od počiatku civilizácie do obdobia
priemyselnej revolúcie bola biomasa (najmä palivové drevo),
dominantným zdrojom energie, ktorú ľudstvo využívalo. Na našom
území má rastlinná biomasa doposiaľ veľmi významné postavenie aj z
hľadiska zabezpečenia energetických potrieb spoločnosti. Problémom
fosílnych zdrojov je zvyšovanie energetickej (a ekonomickej)
náročnosti ťažby. Miera energetickej náročnosti získavania suroviny
sa určuje parametrom známym ako energetická návratnosť vloženej
práce (ERoEI – Energy Return on Energy Investment). Pokles ERoEI
fosílnych palív v dôsledku vyčerpávania ľahko dostupných ložísk a
súčasný nárast ERoEI využitia biomasy vďaka technologickému vývoju
vytvára stále väčší dopyt po energetickom využití biomasy. Je
potrebné zohľadniť aj ďalšie benefity energetického využitia
biomasy: je to lokálne dostupný zdroj, čím sa znižuje závislosť na
importe energonosičov (tá je v prípade SR viac ako 90 %) a
vytvárajú sa pracovné miesta v miestnej ekonomike; efektívne
využitie biomasy umožní eliminovať biologicky rozložiteľné odpady z
poľnohospodárstva, lesníctva aj komunálne odpady a kaly; podstatné
zníženie emisií skleníkových plynov a toxických emisií zo
spaľovania fosílnych palív aj nepriaznivé zníženie dôsledkov ťažby
uhlia, ropy a zemného plynu.
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 7
2. Produkty spracovania biomasy Energeticky využiteľné produkty
spracovania biomasy môžeme rozdeliť na niekoľko základných skupín,
napríklad podľa skupenstva na:
1. Tuhé spáliteľné produkty 2. Bioplyn, resp. biometán 3.
Kvapalné palivá
Tieto produkty môžeme nazývať aj sekundárne energonosiče, keďže
ide o produkty spracovania primárnej biomasy, ktoré sú vhodné na
uschovanie a neskoršie uvoľnenie využiteľnej energie. Z jedného
vstupného substrátu sa dajú postupne vyrábať viaceré z týchto
produktov, čím je možné dosiahnuť vyššiu energetickú výťažnosť. V
tejto kapitole sa venujeme jednotlivým produktom podrobnejšie.
Obr. 1: Možnosti využívania druhov biomasy, spôsoby premeny a
výstupné palivo [47]
Bioplyn a biometán Premena biomasy na bioplyn bez prístupu
vzduchu a za pomoci mikroorganizmov sa nazýva anaeróbna
fermentácia. Považuje sa za najlepší z biochemických postupov na
spracovanie biomasy s vyšším podielom vody. Takzvaná „mokrá
fermentácia“ v bioplynových staniciach je komerčne úspešná
technológia, pričom na Slovensku sú ich v súčasnosti vybudované už
desiatky a ďalšie sú vo výstavbe alebo plánované. Koncovým
produktom anaeróbneho vyhnívania organického materiálu je bioplyn –
zmes metánu, oxidu uhličitého a ďalších zložiek.
-
autoreferát dizertačnej práce
8
Po ďalšom čistení je možné vyrábať biometán, ktorý má technické
parametre zemného plynu z distribučnej siete. Jednotlivé stupne
tvorby bioplynu majú nasledujúce charakteristiky [29]:
1. Hydrolýza – v prostredí sa ešte nachádza vzdušný kyslík.
Polymérne organické látky (polysacharidy, tuky, bielkoviny) sa
rozkladajú na jednoduchšie monoméry – alkoholy, mastné kyseliny,
uvoľňuje sa vodík (H2) a oxid uhličitý (CO2).
2. Acidogenéza – spotrebuje sa zvyšný vzdušný kyslík a vytvára
sa anaeróbne prostredie (bez kyslíka). Tejto fázy sa zúčastňujú
fakultatívne anaerobionty – mikroorganizmy schopné existencie v
prostredí s alebo bez kyslíka. Vznikajú vyššie organické
kyseliny.
3. Acetogenéza – pomocou acidogénnych baktérií sa menia vyššie
organické kyseliny a alkoholy na kyselinu octovú, H2 a CO2.
4. Metanogenéza – záverečná fáza rozkladného procesu. Pomocou
metanogénnych baktérií, ktoré sú striktné anaerobiontmy (schopné
života len v prostredí bez prístupu vzduchu) sa kyselina octová
rozkladá na metán (CH4) a CO2. Niektoré kmene vytvárajú metán z H2
a CO2. Táto záverečná fáza prebieha asi 5 krát pomalšie ako
predchádzajúce 3 fázy, preto tomu musí byť prispôsobená aj veľkosť
fermentora a dávkovanie vstupných surovín.
Materiály vhodné na fermentáciu Výhrevnosť bioplynu sa pohybuje
okolo 20 – 25 MJ/m3. Jeden m3 bioplynu obsahuje toľko energie ako
0,6 – 0,7 l vykurovacieho oleja. Pri výrobe bioplynu z odpadových
surovín vznikajúcich pri chove hovädzieho dobytka (hnoj, hnojovica)
sa uvažuje s výkonom 1 kW elektrickej energie na 7 – 10 ks dobytka.
Väčšina využiteľnej energie bioplynu generovaného v bioplynových
staniciach je obsiahnutá v jeho zložke – metáne (CH4). Koncentrácia
metánu obsiahnutého v bioplyne je zvyčajne medzi 45 až 72 % a mení
sa i počas relatívne ustáleného stavu technológie (napríklad raz je
v hnoji väčší, inokedy menší pomer slamy a exkrementov). Bioplyn
ďalej obsahuje oxid uhličitý (CO2), kremík (Si), dusík (N2), malé
množstvo síry (S) a iné nečistoty. Prítomnosť CO2 v bioplyne je
prospešná, pretože CO2 pôsobí ak antidetonátor v spaľovacích
motoroch. Bioplyn je produkovaný hlavne v: - Prirodzenom prostredí,
ako sú mokradiny a sedimenty v tráviacom ústrojenstve živočíchov. -
V poľnohospodárskom prostredí ako sú skládky hnojovice, ktoré sú
jedným z najväčších
zdrojov kontaminácie prostredia organickými odpadmi. V prípade
využitia celého odhadovaného potenciálu hnojovice hospodárskych
zvierat na Slovensku by produkcia bioplynu predstavovala 85,2 mil.
m3 ročne. Pri priemernej koncentrácii metánu 62,5 % je energetický
ekvivalent uvedeného množstva 1 900 TJ ročne. [55]
- V odpadovom hospodárstve na skládkach odpadov (kde sa často
nazýva aj skládkový plyn), v čističkách odpadových vôd (ČOV) a v
bioplynových staniciach.
- Ako obzvlášť perspektívny spôsob získavania bioplynu sa javí
byť anaeróbne vyhnívanie vodnej biomasy a využitie rias a baktérií
v biologických slnečných energetických systémoch. [49]
3. Technológie na využitie biomasy V tejto časti sa bližšie
venujeme technologickým postupom, pomocou ktorých sa dá vstupná
biomasa premieňať na energetické produkty. Dostupné technológie
rozdeľujeme do skupín podľa procesov, ktoré pri výrobe využívame.
Hlavná časť tejto kapitoly sa sústreďuje na výrobu bioplynu a
ostatné technológie sú opísané len kurzívne.
Energetické využitie biomasy Možnosti využitia biomasy na
energetické účely predurčujú hlavne jej fyzikálne a chemické
vlastnosti. Veľmi dôležitým parametrom je vlhkosť, resp. obsah
sušiny v biomase. Hodnotu 50 % sušiny je možné považovať za
hraničnú medzi procesmi mokrými a suchými. Podľa princípu samotnej
konverzie energie je možné definovať niekoľko spôsobov získavania
energie
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 9
z biomasy: a) termochemická premena biomasy (suché procesy):
• spaľovanie, • splyňovanie, • pyrolýza,
b) biochemická premena biomasy (mokré procesy): • alkoholové
kvasenie, • metánové kvasenie,
c) fyzikálna a chemická premena biomasy: • mechanická
(štiepenie, drtenie, lisovanie, briketovanie, peletovanie, mletie,
atď.), • chemická (esterifikácia surových rastlinných olejov),
d) získavanie odpadového tepla pri spracovávaní biomasy (napr.
pri kompostovaní, aeróbnom čistení vôd, anaeróbnej fermentácii a
pod.).
Existuje teda viacero spôsobov využitia biomasy na energetické
účely, v praxi prevládajú pri suchých procesoch rôzne formy
spaľovania, pri mokrých procesoch výroba bioplynu anaeróbnou
fermentáciou. Z ostatných spôsobov najmä výroba metylesteru z
bioolejov.
Anaeróbna fermentácia V základe je to biologický proces.
Organický materiál bez prístupu kyslíka premieňame na plyn, ktorý
obsahuje energiu obsiahnutú v pôvodnom materiáli. Mikroorganizmy sú
schopné spracovať látky v nasledujúcom poradí: kyslík, nitráty,
sulfáty, síru, železo, oxid uhličitý. Počas tohto procesu
mikroorganizmy získavajú energiu pre svoj metabolizmus. Ako prvý
spracovávajú kyslík (dýchanie), čo je pre nich energeticky
najvýhodnejšie a nakoniec oxid uhličitý (metanogenéza). Ak v
prostredí začnú chýbať prvky ako kyslík, nitráty a síra
(metanogenické prostredie), mikroorganizmy spracovávajú oxid
uhličitý a produktom ich metabolizmu je metán. Konečným produktom
rozkladu v metanogenickom prostredí je zmes metánu a oxidu
uhličitého.
Úprava bioplynu Bioplyn získaný z biomasy nie je dostatočne
vhodný ako palivo pre klasické spaľovacie motory. Je nutné
odstrániť niektoré zložky. Postup nie je jednoduchý, čistenie
prebieha v niekoľkých krokoch, ale nepredstavuje technologický
problém. Obsah metánu (paliva) v bioplyne predstavuje priemerne 60
%. Zvyšnú časť tvorí prevažne oxid uhličitý (37 %) a ostatné
nežiaduce zložky. Pre ďalšie použitie je nutné odstrániť: tuhé
častice, sadze: Postup je pasívny, tuhé časti odstránime prechodom
plynu cez filtre, najčastejšie sieťky z nehrdzavejúcej ocele. vodu:
Voda sa z bioplynu odstraňuje, aby nespôsobovala koróziu pri ďalšom
spracovaní a uskladnení. Odstrániť ju môžeme zmrazením, odparením
vo výmenníku, alebo prechodom cez filtre zachytávajúce vlhkosť
(napr. piesok). amoniak: Amoniak je nežiaduci pre nádrže na
uskladnenie. Jeho odstraňovanie je nutné z dôvodu emisií NOx vo
výstupnej zmesi. oxid uhličitý: Jeho obsah znižuje energetickú
hodnotu paliva. Uvoľňovaním do atmosféry neprispieva ku
skleníkovému efektu, pretože obsah oxidu uhličitého v bioplyne je
len taký vysoký, koľko rastliny tvoriace biomasu z atmosféry
spotrebovali. Odstrániť ho môžeme absorpciou, membránami,
zmrazovaním. síru: Odstraňovanie síry (sulfán, H2S) patrí medzi
najdôležitejšie a zároveň najproblematickejšie. Jej prítomnosť
spôsobuje koróziu nádrží, pri priamom spaľovaní vznikajú emisie SOx
a taktiež znižuje výkon a životnosť zariadení. Klasické
fyzikálno-chemické technológie (odstraňovanie síry membránou,
chloridom železitým, skvapalňovaním, absorpciou) na odstraňovanie
síry pravdepodobne nahradia nové biotechnologické postupy
(mikroorganizmy požierajúce síru), ktoré sú efektívnejšie a
lacnejšie. halogény: Majú veľmi negatívny vplyv na životné
prostredie. Metódy na ich odstraňovanie sú podobné ako v prípade
síry.
-
autoreferát dizertačnej práce
10
siloxány: Usádzajú sa na stenách potrubí a spaľovacích motorov.
Poznáme iba fyzikálne metódy na ich odstraňovanie. Tieto procesy sú
finančne náročné. Bioplynová stanica Bioplynová stanica je
zariadenie umožňujúce energetické využitie biomasy. Biologická
fermentácia premieňa organickú biomasu na plyn s veľkým obsahom
metánu (bioplyn). Podľa dávkovania surového materiálu rozlišujeme
bioplynové stanice na: diskontinuálne – s prerušovaným cyklom.
Materiál sa do fermentora cyklicky vpúšťa
a po fermentácii sa vyberie. semikontinuálne – čas medzi
jednotlivými dávkami je kratší ako čas zdržania materiálu
vo fermentore. Je to najpoužívanejší spôsob plnenia fermentorov
pre tekutú biomasu. kontinuálne – slúžia na spracovanie tekutých
odpadov s malým obsahom sušiny.
Fermentor Fermentačný reaktor je základnou časťou bioplynovej
stanice, kde prebieha biologická degradácia biomasy a uvoľňuje sa
bioplyn. Konštrukčne rozlišujeme fermentory valcové s horizontálnou
osou, valcové s vertikálnou osou, žľabové a guľové. Objem
fermentora musí zohľadňovať výkon zariadenia, ktoré bude
zužitkovávať vyrobený bioplyn. Časť vyrobenej tepelnej energie sa
musí spotrebovať na ohrev samotného fermentora, čím sa podstatne
zlepší účinnosť anaeróbnej premeny biomasy. Kapacita fermentorov
musí byť dimenzovaná s ohľadom na:
a) očakávanú kapacitu výroby bioplynu (a tá je závislá na
hltnosti kogeneračnej jednotky, ktorá poháňa elektrický
generátor),
b) zádržného času biomasy v reaktore (obvykle 20 – 30 dní, podľa
plánovaného stupňa výťažnosti biomasy a podľa druhu biokultúr
naočkovaných na rozklad biomasy),
c) dostupnú kapacitu vstupnej biomasy, čo je limitujúci faktor
vzhľadom na produkčnú kapacitu zdrojov v blízkom okolí (doprava zo
vzdialenejších zdrojov predražuje celý proces).
Kogeneračné jednotky Kogeneračná jednotka sa používa na
kombinovanú výrobu elektrickej energie a tepla. Je to zariadenie
vhodné na distribuovanú výrobu, priamo na mieste spotreby. Na trhu
existuje veľa výrobcov – kogeneračné jednotky predstavujú ustálenú
a dostupnú technológiu. Dostupné sú s výkonmi od 10 kW do
niekoľkých MW. Investičné nákladu na kogeneračné jednotky sú vyššie
v porovnaní s plynovými kotlami. [3] V súčasnosti sa používajú
plynové spaľovacie motory, vyrábané zvlášť na tieto účely. Je možné
použiť aj motory na tekuté palivá. Trojfázový generátor môže byť
synchrónny, alebo asynchrónny stroj, podľa toho, či má kogeneračná
jednotka spolupracovať so sieťou, alebo pracovať iba v ostrovnej
prevádzke. Vyrobená elektrická energia predstavuje približne 30 %
dodanej energie, teplo odvádzané z motora, oleja a spalín presahuje
50 %. V prípade využitia vznikajúcej tepelnej energie celková
účinnosť zariadenia presahuje 80 %.
Palivové články Palivový článok je elektrochemický reaktor,
ktorý trvalo premieňa chemickú energiu priamo na elektrickú energiu
(a teplo), kým je privádzané palivo a oxidant. Palivový článok má
podobné súčasti a charakteristiky ako bežná batéria. Batéria je
zariadenie na úschovu energie. Maximálna dostupná energia v batérií
je určená množstvom chemických reaktantov nachádzajúcich sa v
batérií samotnej. Keď sa reaktanty spotrebujú (batéria sa vybije),
prestane sa uvoľňovať elektrická energia. Akumulátor umožňuje
reaktanty obnoviť nabíjaním, čiže dodaním energie do batérie z
vonkajšieho zdroja. Palivový článok premieňa reaktanty dodávané
priebežne a jeho životnosť je obmedzená len dodávkou paliva a
životnosťou jednotlivých komponentov.
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 11
Typy palivových článkov Palivové články podľa pracovnej teploty
rozdeľujeme na nízkoteplotné a vysokoteplotné. Nízkoteplotné
palivové články s vodnými elektrolytmi sú vo väčšine praktických
aplikácií odkázané na vodík ako palivo. Vo vysokoteplotných
palivových článkoch môžeme zužitkovať aj ďalšie plynné zložky
paliva, ako napríklad oxid uhoľnatý a metán. Na energetické účely
sa využívajú najmä vysokoteplotné palivové články, ktoré môžu byť
typu MCFC (s taveninou uhličitanov), alebo SOFC (s tuhými oxidmi).
Vysokoteplotné palivové články umožňujú privádzať ako palivo
napríklad metán z bioplynovej stanice, ktorý sa s prispením
katalyzátora termicky rozkladá na vodík a oxid uhličitý. 4.
Parametrický model využitia biomasy Kľúčovú časť práce tvorí opis
modelu na vyhodnocovanie vstupných surovín, produktov,
technologického riešenia a vplyvov na životné prostredie. Model je
skonštruovaný na základe koncepcie prvkov, ktoré sú
charakterizované nižšie.
Koncepcia prvkov parametrického modelu Fermentácia biomasy na
bioplyn umožňuje vyrábať z rozličných vstupných surovín jednotný
nosič energie, ktorým je metán – hlavná zložka bioplynu. Na návrh
efektívneho systému výroby a využitia bioplynu je potrebné
vyhodnotiť rôzne vstupné podmienky, ako je napríklad záber pôdy a
jej cena, spôsoby obhospodarovania, použiteľná technológia, výroba
vedľajších produktov, ceny alternatívnych zdrojov energie a ďalšie
parametre, ktoré ovplyvňujú prevádzku bioplynovej stanice. Každý
krok v tomto modeli bude vyhodnocovaný z hľadiska troch
kritérií:
1. energetická náročnosť, 2. ekonomická návratnosť, 3.
ekologická stopa.
Vstupné parametre modelu Vstupná biomasa je najkomplexnejším
vstupom do celého procesu výroby bioplynu. S touto zložitosťou sa
vyrovnáme zostavením štruktúrovanej databázy dostupných zdrojov
biomasy na Slovensku. Táto databáza bude charakterizovať rozličné
druhy rastlinných a živočíšnych produktov a odpadov, ktoré sa dajú
zužitkovať pri výrobe bioplynu. Každý druh biomasy bude určený
parametrami: energetická výťažnosť na tonu suroviny, priemerné
ročne dostupné množstvo na sledovanom území (SR či kraj),
ekologická záťaž na životné prostredie vyjadrená v relatívnej
stupnici. Teplo a elektrina vyjadrujú celkovú spotrebu energie pre
bioplynovú stanicu, ktoré je potrebné dodávať z vonkajšieho zdroja
alebo spotrebovávať z vlastnej výroby v bioplynovej stanici.
Biokultúry sa pridávajú do vstupného substrátu aby naočkovali
proces požadovanými bakteriálnymi kultúrami. Tieto biokultúry sa
zvyčajne získavajú na výstupe z fermentora pracujúceho v stabilnej
prevádzke. Spotreba vody sa meria v rámci jej priamej spotreby na
vstupe bioplynovej stanice. Spotreba vody na dopestovanie vstupnej
biomasy sa nezahŕňa do tohto parametra, ale je zohľadnená v
hodnotení environmentálnych dopadov daného druhu biomasy.
Produkty a odpady Základným produktom bioplynovej stanice je
samozrejme bioplyn, ktorý sa môže spaľovať v kogeneračných
jednotkách. Technologický postup výroby energie z bioplynu je
podstatný pre výpočet energetickej náročnosti celého postupu výroby
bioplynu, preto sa budeme podrobne venovať aj technológiám na
premenu bioplynu na elektrinu, medzi ktorými sú napríklad
kogeneračné jednotky, alebo inovatívne technológie, akými sú
palivové články. Bioplyn je možné využívať alternatívnymi postupmi,
napríklad ho čistiť na biometán. Ďalšou skupinou produktov zo
spracovania bioplynu sú tuhé odpady z fermentačného procesu, ktoré
sa dajú využívať ako hodnotné hnojivo. Pri rozptyle digestátu na
poli môžu vznikať
-
autoreferát dizertačnej práce
12
sekundárne emisie amoniaku, to je ale možné eliminovať zahŕňaním
materiálu vrstvou ornice [41]. Alternatívne sa môžu sušiť,
lisovať/peletkovať a spaľovať v kotloch resp. v pyrolýznych
jednotkách na výrobu syntézneho plynu. Výstupom procesu sú aj
niektoré kvapalné odpady, ktoré je potrebné zneškodniť napríklad
odvedením do čističky odpadových vôd. Proces anaeróbnej fermentácie
je uzavretý a pri správne navrhnutých postupoch nevznikajú žiadne
významné plynné emisie do atmosféry. Počas manipulácie s biomasou
sa môže v obmedzenej miere šíriť obťažujúci zápach, hoci správne
sfermentovaný digestát už nezapácha. V prípade havarijných stavov
sa môže do ovzdušia uvoľniť metán, čo je potrebné zohľadniť v
bezpečnostných predpisoch. Plynné emisie sú z bioplynových staníc
zanedbateľné. Všetky z týchto produktov a odpadov sú
charakterizované podľa ich: využiteľného energetického obsahu,
resp. energetickej náročnosti likvidácie, ceny za ktorú je možné
ich predávať, resp. ceny za ich likvidáciu, environmentálnych
dopadov využitia produktov, resp. likvidácie odpadov.
Obr. 2: Vyhotovenie bioplynovej stanice s horizontálnym uložením
nádrží
Opis modelu bioplynovej stanice Tento model vznikol v spolupráci
s priemyselným partnerom na kvantifikáciu vstupov a výstupov
projektovanej bioplynovej stanice. Je koncipovaný ako univerzálny
model, vhodný
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 13
na výpočet parametrov ľubovoľnej bioplynovej stanice. Bioplyn
cielene produkujeme v bioplynových staniciach, pričom sa snažíme o
využitie potenciálnej energie zvyčajne odpadov, no v poslednej dobe
čoraz častejšie i cielene pestovanej biomasy. Pri hydrolýze sa pH
zvyčajne pohybuje v rozsahu kyslosti 4 až 6 a pri metanogenéze
medzi 6,8 až 7,6 pričom nesmie presiahnuť 8. Vhodné hodnoty sa
volia podľa konkrétnych baktérií. Baktériám sa lepšie darí vo
vodných roztokoch, preto sa vstupná surovina po rozdrvení zvyčajne
mieša s vodou. Z pohľadu optimálnej konzistencie vstupnej suroviny
baktériám vyhovuje primeraná veľkosť zrna materiálu – čím
drobnejšie sú kúsky, tým väčší je ich pomer povrchovej plochy ku
objemu, čím sa môže podstatne urýchliť proces spracovania
baktériami. Táto veľkosť však nesmie byť príliš malá. Ďalej je
potrebné oddeliť zóny baktérií hydrolýznych a metánogenéznych, čo
dosiahneme separátorom, sterilizátorom a zmenou procesných
parametrov spracúvaného substrátu úpravou na optimálne hodnoty pre
metánogenézu použitými baktériami. Separátor z výstupnej hmoty
hydrolyzéra odseparuje prvotný odpad s obsahom 30 až 60 % vody (tá
sa dá čistiť a znovu využiť v hydrolyzéry) a v médiu ponechá čo
najviac cukrov. Sterilizátor zničí baktérie vyskytujúce sa v médiu,
čím sa zlepší účinnosť nasadenia nových baktérií v metánogenéznej
zóne bioplynovej stanice. Sterilizácia môže využívať vysokoteplotnú
úpravu, alebo ožiarenie média v tenkej vrstve germicídnym UV
žiarením cez sklenú platňu. Substrát opúšťajúci metanizér je znova
separovaný na tekutú a suchú hmotu, ktorá sa použije ako kvalitné
hnojivo a voda sa po čistení znovu využije v procese. Separátor
môže byť vyhotovený ako preš (napríklad rotujúca skrutkovica s
kužeľovitým tvarom obalená v stacionárnom dierovanom plechu cez
ktorý sa odlučuje tekutá zložka). Intervaly parametrov procesných
veličín je ideálne presne doladiť a stanoviť počas skúšobnej
prevádzky.
Vstupy bioplynového procesu V závislosti od toho, aký je dlhý
optimálny čas potrebný na spracovanie vstupnej suroviny na bioplyn,
rozdeľujeme vstupné suroviny na takzvané „rýchlobežné“ a
„pomalobežné“. Pritom je potrebné si uvedomiť, že optimálny čas nie
je čas, pokým získame všetok technicky vyťažiteľný bioplyn z
jednotky vstupnej suroviny, ale ekonomicky rentabilná prevádzka
kedy zdržanie materiálu v bioplynovej stanici bude efektívne
(získame cca do 95 % technicky vyťažiteľného plynu). Vyššia
požadovaná účinnosť by viedla ku potrebe zdržať materiál v nádobách
dlhšie, čo by si vyžiadalo oveľa väčší objem nádrží (tiež vyššie
tepelné straty = väčšia potreba tepla na ohrev) a teda neadekvátne
vyššie investičné ako i prevádzkové náklady. Dobu zdržania
materiálu v procese je možné výrazne minimalizovať i vyššou
procesnou teplotou (je potrebné voliť vhodné baktérie). Systém je
však v tomto prípade citlivejší na presnosť riadiaceho systému ako
i fyzickej konštrukcie nádob, ich dôkladného izolovania a
vyhotovenia tepelných výmenníkov. Časovú závislosť množstva
extrahovaného bioplynu z vstupnej suroviny pri rôznych procesných
teplotách vidíme na obr. 3.
Obr. 3: Trvanie optimálneho zdržania vstupnej suroviny v
bioplynovej stanici pri rôznych procesných teplotách
„Pomalobežné“ suroviny pre výrobu bioplynu sú napríklad rôzne
tvrdé a husté odpady z bitúnkov, ktoré nie je jednoduché drviť,
výlisky hrozna, jabĺk, olív, zvyšky po výrobe papiera a
podobne.
-
autoreferát dizertačnej práce
14
„Rýchlobežné“ sú zvyčajne tekutiny napríklad srvátka (2 až 3 %
laktózy), alebo suroviny ľahko drviteľné ako kukuričná siláž, alebo
siláž z cukrového ciroku. Ekonomické parametre na výpočet
rentability projektu Ekonomická charakterizácia projektov na
prevádzku energetických celkov sa obvykle vyhodnocuje pomocou
technicko-hospodárskych parametrov, ktoré vypovedajú aj o účinnosti
využitia vstupných nosičov energie. Ekonomická opodstatnenosť
investície do technologického komplexu sa vyjadruje pomocou dĺžky
návratnosti investície (PBP – payback period, pozri vzťah 4.7),
faktora čistej súčasnej hodnoty investície (NPV – net present
value, pozri vzťah 4.8), vnútorného výnosového percenta (IRR –
internal revenue rate, pozri vzťah 4.9) a zlomovej ceny
produkovaných médií (breakdown price).
investíciaNutnárokzavýnosČistýPBP =
(4.1) Čistý výnos za rok sa určí ako rozdiel zisku z predaja
vyrobených energetických médií a nákladov na spotrebovávané vstupy
a na údržbu. Nutná investícia zahŕňa kapitálové náklady spojené s
nákupom, inštaláciou a spojazdnením zariadenia. Toto kritérium pre
svoju jednoduchosť a jednoznačnú vypovedaciu schopnosť býva často
prvým hodnotiacim bodom pri posudzovaní obstarania novej
technológie. Vyžaduje si prognózu ročných výnosov a nákladov, ktorá
sa opiera o technické parametre zariadenia, jeho predpokladané
ročné využitie a predpokladané ceny paliva a vyrobených
energetických médií. Je zrejmé, že pri kratšej návratnosti
investície má parameter PBP väčšiu vypovedaciu hodnotu.
∑=
n
RDPTNPV (5.2)
Faktor čistej súčasnej hodnoty investície (NPV) sa sumuje cez
celú dĺžku plánovaného trvania projektu (n rokov). Parameter RDPT
znamená ročné diskontované peňažné toky. Výpočet tohto parametra si
vyžaduje zostavenie ekonomického modelu, ktorý zohľadní využitie
zariadenia, ceny vstupov a predávaných produktov, infláciu, výpočet
ročných ziskov z prevádzky a celkových ročných nákladov pre každý
rok trvania projektu. Priaznivé sú hodnoty NPV, ktoré sú vyššie ako
nutná počiatočná investícia do realizácie projektu. O investičnej
atraktivite vypovedá lepšie vnútorné výnosové percento (IRR):
.100%1investíciaNutná
NPVIRR n
−=
(4.3) kde n opäť označuje trvanie projektu v rokoch. Ak je
vnútorné výnosové percento investičnej možnosti vyššie ako vnútorné
výnosové percento referenčnej investičnej príležitosti s
porovnateľnou rizikovosťou, takáto investičná príležitosť je
označená ako výhodná. Z uvedených výpočtov je však zrejmé, že
parametre NPV a IRR sú len lineárnym odhadom a v prípade nečakaných
zmien ich výpovedná hodnota zlyháva. Preto súčasťou projektu
štandardne býva aj citlivostná analýza, ktorá upozorní na tieto
riziká. Zlomová cena produkovaných médií hovorí o takej trhovej
cene produktu (napríklad bioplynu alebo elektriny), že pri
dosiahnutí tejto ceny výnosy z predaja produktu pokryjú odpisy,
splátky pôžičky na financovanie projektu, prevádzkové náklady a iné
nevyhnutné výdavky spolu s primeranou mierou zisku. Štátnym
regulátorom (na Slovensku je to ÚRSO) býva nastavená regulovaná
výkupná cena elektriny z obnoviteľných zdrojov tak, aby minimálna
predajná cena zabezpečila návratnosť projektu skôr než je životnosť
celého projektu.
Experimentálna bioplynová stanica STU na suchú fermentáciu V
tejto podkapitole je opísaná realizácia konkrétneho výskumného
projektu, na ktorom sa autor tejto práce sa podieľal ako riešiteľ
výskumných úloh aj ako manažér pri riadení projektu. Slovenská
technická univerzita v Bratislave vďaka podpore Európskej únie
prostredníctvom operačného programu Výskum a vývoj Európskeho fondu
regionálneho rozvoja vybudovala v roku 2011 v areáli Národného
centra pre výskum a aplikácie obnoviteľných zdrojov energie
experimentálnu bioplynovú stanicu na suchú fermentáciu.
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 15
Experimentálna prevádzka bioplynovej stanice Technológia bola
spustená do prevádzky v júli 2011, najprv naprázdno a následne so
vsádzkou biomasy. Oneskorenie vzniklo najmä v dôsledku veľmi
komplikovaného administratívneho procesu verejného obstarávania
samotnej technológie a následne aj biomasy. Prevádzka je priebežne
vyhodnocovaná a technológia sa dolaďuje aj po ukončení realizácie
projektu. Prevádzka je automatizovaná, bez potreby trvalého dozoru
na mieste, ale praktické skúsenosti ukázali, že prítomnosť
výskumníkov je veľmi žiaduca vzhľadom na nevyhnutnosť riešiť
nepredvídané stavy a potrebu dolaďovať nastavenie riadiacich prvkov
systému. Chod technológie monitorujú výskumníci na mieste a tiež
prostredníctvom vzdialeného prístupu cez internet. Údaje o
prevádzkových parametroch sú zaznamenávané a spolu s ďalšími údajmi
(meteorologické dáta a i.) ich spracováva odborný tím riešiteľov.
Na základe praktických skúseností s prevádzkou technológie suchej
fermentácie sa výrazne zlepšujú praktické skúsenosti operátorov aj
výskumných pracovníkov a tým sa buduje kompetenčná báza kádrov
schopných zapojiť sa aj do následných budúcich projektov.
Experimentálna povaha projektu vyžaduje kontinuálne sledovanie
biochemických procesov prebiehajúcich vo fermentačnom reaktore a
zároveň sú odstraňované technické nedostatky, ktoré sú zistené až
počas experimentálnej prevádzky. 5. Potenciál bioplynu na Slovensku
Maximálna (teoretická) resp. potenciálna produkcia plynu na
Slovensku sa odhaduje na 15 PJ, z čoho 10 PJ pochádza z využitia
poľnohospodárskych exkrementov a 5 PJ z ostatných zdrojov
organických odpadov. Reálna potenciálna výroba bioplynu resp.
vymenovaných plynov na Slovensku predstavuje cca 6,5 PJ v
poľnohospodárskom sektore a 3 PJ v oblasti odpadov [5]. Využívaním
bioplynu na výrobu elektrickej energie by teoreticky bolo možné
pokryť 4,5 % spotreby elektrickej energie v SR. Podľa dokumentu MH
SR [24] je celkový technický potenciál bioplynu na Slovensku 6,9 PJ
pri ročnej výrobe 1 900 GWh.
Poľnohospodárska biomasa Výmery poľnohospodárskej pôdy, na
ktorých sa pestujú hlavné poľnohospodárske plodiny, predstavujú v
súčasnej dobe aj najväčší zdroj produkovanej biomasy. Je to
biomasa, ktorá vzniká ako odpad pri hlavnej výrobe, vo forme slamy,
odrezkov pri reze ovocných drevín alebo vinnej révy. Osobitnú
skupinu tvorí produkcia sena a drevnej hmoty z krov na trvalých
trávnych porastoch. Celková produkcia slamnatej biomasy
vyprodukovanej pri pestovaní husto siatych obilnín (pšenica,
jačmeň, raž, ovos a tritikale) pestovaných na výmere 637 752 ha,
predstavuje hmotnosť 1 671 961 t. Z tejto produkcie biomasy je
možné, podľa odborných odhadov (po odpočítaní slamy na kŕmenie,
podstielanie ....) využiť na energetické účely cca 40 %, to znamená
cca 669 000 ton. Produkcia ostatných druhov rastlinnej biomasy
(slama pri pestovaní kukurice na zrno, repky, slnečnice a drevnej
hmoty z TTP, sadov a vinohradov) produkovanej na ploche s výmerou
872 946 ha, predstavuje hmotnosť 1 839 048 ton. Z tejto produkcie
biomasy môžeme využiť na energetické účely asi 70 %, čo predstavuje
hmotnosť asi 1 287 333 ton. Energetický potenciál pôdohospodárskej
biomasy je značne vysoký a predstavuje teoreticky 20,4 % ročnej
spotreby energie v Slovenskej republike, ktorá je 800 PJ. [54] Z
teoretického množstva energie vyrobenej spaľovaním biomasy 28,6 PJ
by bolo možné za priaznivých podporných mechanizmov využiť v
odvetví poľnohospodárstva 10 až 30 %. Na trhové účely vo forme
paliva (balíkovaná slama, brikety, pelety) alebo energie (teplo,
elektrina) by bolo možné využiť 10 až 20 % hlavne predajom paliva,
poprípade tepelnej energie pre komunálnu sféru (obce). V prípade
nahradenia časti fosílnych palív biomasou aj vo veľkých
energetických zdrojoch (teplárne, elektrárne), by podiel biomasy
ponúknutej na trh mohol predstavovať 30 – 50 %.
-
autoreferát dizertačnej práce
16
Produkcia živočíšnych exkrementov Produkcia exkrementov
hospodárskych zvierat predstavuje ročne hmotnosť 9 554 790 ton od
hovädzieho dobytka, 1 751 056 ton výkalov ošípaných a 845 040 ton
trusu od hydiny. Celková hmotnosť exkrementov predstavuje hodnotu
12 150 886 ton ročne. Túto produkciu môžeme v celom objeme použiť
na energetické účely a zvyšky po fermentácii ako hnojivo.
Bioplynové stanice na Slovensku V roku 2012 bolo na Slovensku
celkove 110 bioplynových staníc pri ČOV a na poľnohospodárskych
družstvách, s celkovým inštalovaným výkonom 91,5 MW.
Poľnohospodárske prevádzky so živočíšnou výrobou majú najvhodnejšie
podmienky z hľadiska zdrojov biomasy, vlastného využitia vyrobenej
elektrickej aj tepelnej energie a využitia vyhnitého materiálu na
poľnohospodárske účely. V posledných rokoch sme boli svedkami
prudkého nárastu počtu poľnohospodárskych bioplynových staníc.
Investori výstavby aj poľnohospodárske družstvá začali ťažiť z
nevyužitého potenciálu rastlinnej a živočíšnej biomasy. Stále je
však hlavnou incentívou investorov predaj elektriny za garantované
výkupné ceny, ktoré stanovuje ÚRSO. Veľká časť nových bioplynových
staníc má inštalovaný výkon 0,999 MW, aby maximálne využili vyššiu
výkupnú cenu pre inštalácie s výkonom do 1 MW. Záver
Energetická bezpečnosť je v súčasnosti jedným z najčastejšie
opakovaných pojmov v súvislosti s transformáciou energetickej
základne, ktorá musí zohľadňovať nielen dostatok energetických
zdrojov, ale dôraz sa kladie aj na environmentálnu šetrnosť a
efektívne využívanie dostupných zdrojov. Výroba bioplynu z biomasy
predstavuje jednu z dôležitých možností, ako využiť významný a
doposiaľ nedostatočne využívaný zdroj energie a zároveň podporiť
decentralizovanú výrobu v blízkosti miest spotreby aj dodržiavať
záväzky Slovenskej republiky v oblasti ochrany životného
prostredia. Model bol počas jeho vývoja v praxi využitý pri návrhu
bioplynovej stanice v Hurbanove v spolupráci s priemyselným
partnerom a neskôr pri modelovaní experimentálnej bioplynovej
stanice na suchú fermentáciu v laboratóriu NC OZE v Bratislave.
Boli pri tom využité aj poznatky autora z návrhu predchádzajúceho
projektu bioplynovej stanice v Siladiciach, ktorý však nebol
realizovaný. Neskôr autor model využil pri konzultovaní návrhu
bioplynovej stanice pre mesto Sereď. Model umožňuje pri návrhu
bioplynovej stanice vopred spočítať materiálové nároky na vstupnú
biomasu a odhadnúť množstvo generovaného bioplynu. Keď sa rozrastie
využívanie bioplynových technológií do väčších rozmerov, budú
citeľné pozitívne dôsledky, ako je ekologizácia spracovania
odpadov, rast zamestnanosti na vidieku, zvýšenie celkovej
energetickej efektívnosti krajiny a obmedzenie závislosti na dovoze
energetických nosičov zo zahraničia. Podpora decentralizovanej
výroby energie v mieste spotreby a rozšírenie využívania bioplynu
je jedným z prvých krokov na ceste k vodíkovej energetike s
nasadením palivových článkov, ktoré predstavujú jeden z očakávaných
budúcich vývojových smerov svetovej energetiky. Významným
príspevkom bude aj motivácia rozvíjať domáci výskum, vývoj, aj
priemyselnú výrobu v tomto segmente, ktorý združuje špičkové
technológie s vysokou pridanou hodnotou. Vedecký a praktický prínos
práce
Hlavným prínosom je komplexné rozpracovanie metodiky na
posúdenie energetických nákladov a celkovej výroby v bioplynových
staniciach s aplikáciou na slovenské špecifiká. Práca má praktické
využitie jednak na úrovni návrhu konkrétnych projektov bioplynových
staníc na fermentáciu biomasy (najmä pokiaľ sú vstupným materiálom
poľnohospodárske odpady), ale takisto nájde využitie pri modelovaní
energetickej politiky regiónu alebo štátu. Model bol počas jeho
vývoja v praxi využitý pri návrhu bioplynovej stanice v spolupráci
s priemyselným partnerom a neskôr pri modelovaní experimentálnej
bioplynovej stanice na
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 17
suchú fermentáciu. Model umožňuje pri návrhu bioplynovej stanice
vopred spočítať materiálové nároky na vstupnú biomasu a odhadnúť
množstvo generovaného bioplynu. V rámci porovnania výsledkov modelu
bol aplikovaný aj kanadský výpočtový model RET Screen, ktorý slúži
ako všeobecný modelovací algoritmus na výpočty v oblasti
obnoviteľných zdrojov a energetickej efektívnosti, pričom získané
výsledky si neodporujú. Počas výskumnej fázy autor realizoval aj
výpočty vplyvov na životné prostredie na modelových príkladoch
bioplynových staníc pomocou softvérového balíka SimaPro. Po zvážení
rozsahu problematiky a kapacitných možností však bola táto časť
vyčlenená na neskoršiu implementáciu a výpočet LCA nie je súčasťou
aktuálneho parametrického modelu. Realizované výpočty v programe
SimaPro potvrdili zistenia publikované v literatúre, že bioplynové
stanice, ktoré spracovávajú odpadovú biomasu z poľnohospodárstva,
majú prakticky za všetkých počiatočných podmienok vysoko pozitívny
vplyv na životné prostredie z hľadiska metodiky LCA. Summary
The thesis deals mainly with biogas production facility model.
There is summarized the current state of art regarding the biomass
use for biogas production in specific Slovak conditions. There are
also analyzed adjacent technologies relevant for biogas production
if they can be utilized in parallel as waste utilization.
The main part of the thesis is dedicated to the design of biogas
generation model for standard and novel designs of biogas power
plants, with emphasis placed on agricultural waste disposal. For
analyzing of the biogas potential in Slovakia, analysis of
available biomass sources is executed. The design of the model was
performed as reverse calculation of existing biogas plants with
their material and energy inputs and outputs. The accuracy of
design calculations were verified by measuring of parameters and
load characteristics of real biogas plants, where author
contributed during their planning.
The core of research work consists of analyses of material flows
in biogas complex, optimization of waste energy usually dumped,
thermal analysis and analysis of economy of the whole project.
There is also presented the practical evaluation of various aspects
of distributed biomass energy production for national economy and
sustainable development. The final part of thesis is devoted to the
analysis of existing biogas plants in Slovakia.
Zoznam použitej literatúry [1] EG&G Services, Parsons Inc.:
Fuel Cell Handbook, 6th ed., U.S. Department of Energy, Office of
Fossil
Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, WV,
2002 [2] ENGLER, R.: Economics and Environmental Impact of Biogas
Production as a Manure Management Strategy.
[online]. 2002.
[3] GADUŠ, J., ŠÁRGOVÁ, S.: Possibilities of biomass
co-fermentation. In: EKOTREND 2005, Zborník z medinárodného
vedeckého stretnutia, ZF Jihočeská univerzita České Budějovice,
2005. s.70. ISBN 80-7040-783-2.
[4] HOOGERS, G. (ed.): Fuel cell technology handbook. CRC Press,
2003. ISBN: 0849308771 [5] HORBAJ P.: Energetický potenciál
bioplynu v SR. [online] 2003
[6] MIKOLAJ, D., HORBAJ, P.: Zjednodušený výpočet množstva
bioplynu vznikajúceho z exkrementov
v poľnohospodárstve, grafické určenie návratnosti investície a
vhodného typu kogeneračnej jednotky. [online] 2003
[7] JAHNÁTEK, Ľ., JANÍČEK, F., SMITKOVÁ, M., KUBICA, J.: Trends
of Power Engeneering in the World and in Slovakia. In: Control of
Power Systems '08 : 8th International Conference. Štrbské Pleso,
Slovak Republic, 11.-13.6.2008. - Bratislava : Slovak University of
Technology in Bratislava, 2008. - ISBN 978-80-227-2883-6. -
CD-Rom
[8] JANÍČEK, F., DARUĽA, I., GADUŠ, J., REGULA, E., SMITKOVÁ,
M., POLONEC, Ľ., ĽUDVÍK, J., KUBICA, J.: Obnoviteľné zdroje energie
1 : Technológie pre udržateľnú budúcnosť. - Bratislava : Renesans,
2007. - 171 s. - ISBN 978-80-969777-0-3
[9] JANÍČEK, F., GADUŠ, J., KUBICA, J., SMITKOVÁ, M.: Project of
Agricultural Biomass Utilization for Energy Production in Siladice
Village. In: Energomatika, 1st International Expert and Scientific
Conference : Praha, 17. – 18. 4. 2007. – Prague, CZ : Wirelesscom,
2007. – ISBN 978-80-239-9076-8. – CD-ROM
-
autoreferát dizertačnej práce
18
[10] JANÍČEK, F., KUBICA, J.: Využívanie bioplynu na kombinovanú
výrobu elektriny a tepla na Slovensku. In: Electric Power
Engineering 2007 : International Scientific Conference. Kouty nad
Desnou, Czech Republic, 12.-14.6.2007. – Ostrava : Vysoká škola
báňská - Technická univerzita v Ostravě, 2007. – ISBN
978-80-248-1391-2. – CD-Rom
[11] JANÍČEK, F., KUBICA, J.: Utilization of Biogas in Combined
Generation of Electrical Energy and Heat in Slovakia. In: Zeszyty
Naukowe Politechniki Opolskiej. – ISSN 1429-1533. – Z. 60, Nr. 323
(2008), s. 125 – 128
[12] KAČMÁRY, Š. et al.: Nové a obnoviteľné zdroje energie in
Prognóza rozvoja a využívania vedy a techniky do roku 2015. Trnava
2003
[13] KUBICA, J., ĽUDVÍK, J.: Palivové články v slovenských
podmienkach in Energetika 3/2004 [14] KUBICA, J., ĽUDVÍK, J.: Fuel
Cells and Its Utilization in Proceedings of Student EEICT 2004 (p.
462), FEI
STU, Bratislava [15] KUBICA, J., ĽUDVÍK, J.: Palivové články a
ich využitie. Konferencia ŠVOČ 2004, FEI STU, Bratislava [16]
KUBICA, J., ĽUDVÍK, J.: Porovnanie kogeneračných jednotiek a
palivových článkov. Konferencia ŠVOČ.
Bratislava, FEI STU, 2005 [17] KUBICA, J., ĽUDVÍK, J.:
Ekonomické porovnanie bioplynovej stanice. Konferencia ŠVOČ.
Bratislava, FEI
STU, 2006 [18] KUBICA, J., PÍPA, M.: Parametrical Model of
Biogas Station.
In: Electric Power Engineering 2008 : Proceedings of the 9th
International Scientific Conference. Brno, Czech Republic, 13. –
15. 5. 2008. – Brno : Brno University of Technology, 2008. – ISBN
978-80-214-3650-3., s. 65 – 66
[19] KUBICA, J., PÍPA, M.: Vodík ako vedľajší produkt pri výrobe
biobutanolu. In: EE časopis pre elektrotechniku a energetiku. -
ISSN 1335-2547. - Roč. 14, č. 3 (2008), s. 48-49
[20] MARKO, Š., DARUĽA, I., SMOLA, A., ŠIMUNEK, P.: Energetické
zdroje a premeny. Alfa, Bratislava 1989 [21] MINOVSKI, D., KUBICA,
J.: Development of Small Hydro Power Plants in Republic of
Macedonia and
Slovak Republic. In: COSMO Energyefficiency Conference 2008 :
Skopje, Macedonia, 16.-17.5.2008. - Skopje : COSMO Trade Center,
2008. - ISBN 978-9989-2769-4-1.
[22] Ministerstvo hospodárstva SR, Ministerstvo pôdohospodárstva
SR, Ministerstvo životného prostredia SR: Správa o pokroku v
rozvoji obnoviteľných zdrojov energie, vrátane stanovenia národných
indikatívnych cieľov pri využívaní obnoviteľných zdrojov
energie
[23] Ministerstvo hospodárstva SR: Návrh energetickej politiky
SR. [online]. MH SR. 31/01/06. [cit: 2006-09-12]. Dostupné na
internete: www.economy.gov.sk
[24] Ministerstvo hospodárstva SR: Stratégia vyššieho využitia
obnoviteľných zdrojov energie v SR. [online] Bratislava, 2006
[25] PASTOREK, Z., KÁRA, J., JEVIČ, P.: Biomasa – obnovitelný
zdroj energie. FCC PUBLIC s.r.o., Praha 2004, s. 288, ISBN
80-86534-06-5
[26] PASTOREK, Z., WOLF, J.: Výroba a využití bioplynu v
zemědělství. Ústav zemědělských a potravinařských informací, Praha
1993. ISSN 0231-947
[27] SASSE, L.: Biogas Plants. Vieweg & Sohn, Braunschweig/
Wiesbaden 1988, s. 85, ISBN 3-528-02004-0 [28] SCHULZ, H., EDER,
B.: Bioplyn v praxi – Základy, plánování, stavba zařízení,
příklady. Nakladatelství HEL,
Ostrava-Plesná 2004, s. 166, ISBN 80-86167-21-6 [29] STRAKA, F.
a kol.: Bioplyn – příručka pro výuku, projekci a provoz
bioplynových systémů. Říčany: GAS
s.r.o.,2003, s. 517. ISBN 80-7328-029-9 [30] URBAN, F., KUČÁK,
Ľ., JEDINÝ, L., DARUĽA, I., PÍPA, M., KUBICA, J.: Kombinovaná
výroba elektriny a
tepla – stanovenie metodiky na delenie energetickej bilancie :
Záverečná správa. Bratislava : STU v Bratislave, 2008. – 68 s.
[31] Zemědělská technika a biomasa 2005. Výzkumný ústav
zemědělské techniky, Praha 2005. ISBN 80-86884-07-4 [32] DÜRRE, P.:
New insights and novel developments in clostridial acetone/butanol/
isopropanol fermentation. in
Appl. Microbiol. Biotechnol., 49 (1998) pp. 639–648. [33]
FRIEDL, A., QURESHI, N., MADDOX, I. S.: Continuous ABE fermentation
using immobilized cells of
Clostridium acetobutylicum in a packed bed reactor and
integration with product removal by pervaporation in Biotechnol.
Bioeng, 38 (1991) pp. 518–527.
[34] LEEPER, S. A.: Membrane separation in the production of
alcohol duele by fermentation, in: W.C. McGregor (Ed.), Membrane
Separations in Biotechnology, Marcel Dekker, 1986, pp. 161–200.
[35] LIU, F., LIU, L., FENG, X.: Separation of ABE from dilute
aqueous solutions by pervaporation. in Separation and Purification
Technology, 42 (2005) pp. 273–282.
[36] LOGOTKIN, I. S.: Technology of acetone–butanol production
(po rusky). Pisshprom Isdat, Moscow, 1958 [37] RAMEY, D., YANG,
S.-T.: Production of Butyric Acid and Butanol from Biomass. Report
for the US
Department of Energy, Morgantown, WV 2004 [38] ZVERLOV, V. V.,
BEREZINA, O., VELIKODVORSKAYA, G. A., SCHWARZ, W. H.: Bacterial
acetone and
butanol production by industrial fermentation in the Sovin
Union: use of hydrolyzed agricultural waste for biorefinery. in
Appl. Microbiol. Biotechnol., 71 (2006) pp. 587–597.
[39] Waldron, K.: Bioalcohol Production - Biochemical Conversion
of Lignocellulosic Biomass. Woodhead Publishing 2010, ISBN:
978-1-61344-385-9.
[40] Klass, D. L.: Biomass for Energy, Fuels and Chemicals.
Academic Press 1998, ISBN: 978-0-12410-950-6.
-
Parametrický model bioplynovej stanice
Ing. Juraj Kubica 19
[41] Dewulf, J., Van Langenhove, H. (ed.): Renewables-Based
Technology: Sustainability Assessment. John Wiley & Sons 2006,
ISBN: 0-470-02241-8
[42] Roosa, S. A.: Sustainable Development Handbook. (pp: 150),
2008. Online dostupné:
http://www.knovel.com/web/portal/browse/display?_EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=2406
[43] BRUGLIERI, M., LIBERTI, L.: Optimal running and planning of
a biomass-based energy production process. in Energy Policy 36
(2008), Elsevier, pp. 2430–2438.
[44] SIMEONOV, I.: Mathematical modeling and parameters
estimation of anaerobic fermentation processes. In: Bioprocess
Engrg., vol. 21 (1999), pp. 377-381.
[45] GALAVA H. V., ANGELIDAKI, I., AHRING, B. K.: Kinetics and
modeling of anaerobic digestion process. In Adv. Biochem. Engrg.
Biotechnol., vol. 81 (2003), pp. 57-93.
[46] HARTMANN, H., THUNEKE, K., HOLDRICH, A., ROZMANN,
P.:Handbuch bioenergie - kleinanlagen, Bundesministerium für
Verbraucher Schütz, Ernährung und Landwirtschaft . Gülzow:
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 2003. ISBN
3-00-011041-0
[47] PETRÁŠ, P.: Zdroje a energetický potenciál biomasy
vyprodukovaný v odvetví pôdohospodárstva, [online] Publikované
21.08.2007, Dostupné na internete:
http://www.zdruzeniepcola.org/view.php?cisloclanku=2007082104
[48] KÁRA, J., SRÁMEK, V., HUTLA, P., STESKAL, F., KOPICKÁ, A.:
Využití biomasy pro energetické účely, CEA, Praha, 1997
[49] OCHODEK, T.; KOLINIČNÝ, J.; JANÁSEK, P.: Potenciál biomasy,
druhy, bilance a vlastnosti paliv z biomasy, VŠB TU Ostrava, 2006.
ISBN 80-248-1207-X.
[50] GEFFERT, P., Bioplyn a splyňovanie biomasy, [online]
Publikované 15.3.2007, Dostupné na internete:
www.enviro.gov.sk/servlets/files/16037
[51] JANÁSEK, P.: Výzkum parametrů ovlivňujících spalovaní
biomasy. Dizertačná práca. Ostrava: VŠB, Výskumné energetické
centrum, 2006
[52] ORAVEC, M.: Potenciál drevnej biomasy, ekologické a
ekonomické dopady jej energetického využitia, [online], Dostupné na
internete:
www.nlcsk.org/images/docs/seminar_energia/3_Oravec/oravec.ppt
[53] Mapy a základné údaje o potenciály biomasy, [online],
Publikované 16.3.2007, Dostupné na internete:
http://www.access-ret.net/info/pdfs/d13_sk.pdf
[54] MINISTERSTVO PÔDOHOSPODÁRSTVA: Akčný plán využívania
biomasy na roky 2008-2013, November 2008, [online], Dostupné na
internete:
http://www.mpsr.sk/sk/index.php?start&language=sk&navID=2&navID2=2&sID=26&id=1214
[55] GADUŠ, J: Bioplyn – jeho výroba a využitie v podmienkach
Slovenska. Mechanizačná fakulta, SPU v Nitre, 19.2.2008
[56] VIGLASKÝ, J.: Perspektívy biomasy a tuhých biopalív v
sektore energetiky, [online], Dostupné na internete:
http://www.asb.sk/2008/07/03/stavebnictvo/tzb/perspektivy-biomasy-a-tuhych-biopaliv-v-sektore-energetiky.html
[57] HAVARLAND, B.: Technical and Economical Evolution of
Energetic Biomass. In: Nové trendy v prevádzke výrobnej techniky,
FVT Prešov 22. - 23. 11. 2000, s. 354 - 359, ISBN 80-7099-618-8
Vybrané publikácie autora 1. Janíček, F. -- Daruľa, I. -- Gaduš,
J. -- Regula, E. -- Smitková, M. -- Polonec, Ľ. -- Ľudvík, J. --
Kubica, J. --
Michalík, M. -- Bindzár, M., Obnoviteľné zdroje energie 1.
Technológie pre udržateľnú budúcnosť (2. vydanie). Pezinok:
Renesans, s.r.o., 2009. 174 s. ISBN 978-80-89402-04-5.
2. Janíček, F. -- Daruľa, I. -- Gaduš, J. -- Regula, Eugen --
Smitková, M. -- Polonec, Ľ. -- Ľudvík, J. -- Kubica, J. --
Michalík, M. -- Bindzár, M., Renewable Energy Sources 1 :
Technologies for a Sustainable Future. Pezinok: Renesans, s.r.o.,
2009. 184 s. ISBN 978-80-89402-05-2.
3. Janíček, F. -- Gaduš, J. -- Šály, V. -- Daruľa, I. -- Regula,
Eugen -- Smitková, M. -- Kubica, J. -- Pípa, M. -- Bindzár, M.,
Obnoviteľné zdroje energie 2. Perspektívne premeny a technológie.
Pezinok: Renesans, s.r.o., 2010. 186 s. ISBN 978-80-89402-13-7.
4. Kubica, J., Biomasa v porovnaní s ďalšími obnoviteľnými
zdrojmi na Slovensku. In Elektroenergetika 2007 : 4th International
Scientific Symposium. Stará Lesná, Slovak Republic, 19.-21.9.2007.
Košice: Technická univerzita v Košiciach, 2007, s. 238--246. ISBN
978-80-8073-844-0.
5. Kubica, J. -- Pípa, M. -- Janíček, F., Design of Experimental
Biogas Plant Using a Dry Fermentation Process. In Cirák, J. --
Perný, M. -- Smitková, M. Power Engineering 2011. Renewable Energy
Sources 2011 : Tatranské Matliare, Slovakia, June 7-9, 2011.
Bratislava: Slovak University of Technology in Bratislava, 2011,
ISBN 978-80-89402-38-0.
6. Pípa, M. -- Kubica, J. -- Janíček, F. -- Timár, P., Dry
Fermentation for Production of Electric Energy at STU in
Bratislava. In Power Engineering 2010. Renewable Energy Sources :
1st. International Scientific Conference OZE. Tatranské Matliare,
SR, 18.-20. 5. 2010. Bratislava: STU v Bratislave, 2010, ISBN
978-80-89402-24-3.
7. Janíček, F. -- Kubica, J. -- Jahnátek, Ľ. -- Kubala, M. --
Špok, M., Energetická politika v podmienkach prijatia zákona o
obnoviteľných zdrojoch energie. In Energomatika 2009 : Mezinárodní
odborná a vědecká konference. Praha, Czech Republic, 9.-10.9.2009.
Praha: Technologies & Prosperity, 2009, ISBN
978-80-87205-09-9.
-
autoreferát dizertačnej práce
20
8. Kubica, J. -- Pípa, M., Hydrogen as a by-Product of
Biobutanol Production. In Kozáková, A. ELITECH `09 : 11th
Conference of Doctoral Students. Bratislava, Slovak Republic,
25.5.2009. Bratislava: STU v Bratislave FEI, 2009, ISBN
978-80-227-3091-4.
9. Pípa, M. -- Kubica, J. -- Janíček, F., Improving the
Efficiency of Primary Energy Utilization in Systems with
Cogeneration Units. In Power Engineering 2010. Renewable Energy
Sources : 1st. International Scientific Conference OZE. Tatranské
Matliare, SR, 18.-20. 5. 2010. Bratislava: STU v Bratislave, 2010,
ISBN 978-80-89402-24-3.
10. Daruľa, I. -- Kubica, J. -- Ľudvík, J. -- Smitková, M.,
Palivové články. In Racionalizácia rozvodu a spotreby elektrickej
energie v budovách : Zborník z konferencie. Bratislava, SR.
6.4.2006. Bratislava: TYPHOON, 2006, s. 67--75. ISBN
80-969403-1-7.
11. Kubica, J. -- Ľudvík, J. -- Smitková, M., Palivové články sú
atraktívne. Quark : magazín o vede a technike Roč. 12, č. 9. s.
32--33. ISSN 1335-4000.
12. Kubica, J. -- Pípa, M., Parametrical Model of Biogas
Station. In Electric Power Engineering 2008 : Proceedings of the
9th International Scientific Conference. Brno, Czech Republic,
13.-15.5.2008. Brno: Brno University of Technology, 2008, s.
65--66. ISBN 978-80-214-3650-3.
13. Janíček, F. -- Daruľa, I. -- Gaduš, J. -- Kubica, J. --
Smitková, M., Parametrický model bioplynovej stanice - PD Siladice.
Odpady : Odborný časopis pre podnikateľov, organizácie, obce,
štátnu správu a občanov Roč. 8, č. 7. s. 7--10. ISSN 1335-7808.
14. Pípa, M. -- Kubica, J. -- Janíček, F., Pokusná bioplynová
stanica so suchou fermentáciou a KGJ. In Electric Power Engineering
2010 : Proceedings of the 11th International Scientific Conference.
Kouty nad Desnou, Czech Republic, 12.-14.5.2009. Brno: Brno
University of Technology, 2010, s. 351--353. ISBN
978-80-214-4094-4.
15. Janíček, F. -- Kubica, J., Prečo nám elektrina pomáha?. In
Detská univerzita aj pre dospelých : 5. ročník Detskej Univerzity
Komenského. Bratislava: Perex, 2007, s. 55--63. ISBN
978-80-969807-0-3.
16. Pípa, M. -- Kubica, J. -- Janíček, F., Project of
Experimental ORC Unit for Use of Excess Heat from the Cogeneration
Unit. In Cirák, J. -- Perný, M. -- Smitková, M. Power Engineering
2011. Renewable Energy Sources 2011 : Tatranské Matliare, Slovakia,
June 7-9, 2011. Bratislava: Slovak University of Technology in
Bratislava, 2011, ISBN 978-80-89402-38-0.
17. Kratochvíl, K. -- Kubica, J. -- Pípa, M., Skúsenosti z
doterajšej prevádzky kogeneračnej jednotky PETRA 250 C,
inštalovanej v UZ Gabčíkovo. In Janíček, F. -- Reváková, D. --
Daruľa, I. -- Kubica, J. -- Šulc, I. Energetika - ekológia -
ekonomika : 8. celoštátna konferencia s medzinárodnou účasťou.
Vysoké Tatry - Nový Smokovec, 27.-29.5.2009. Bratislava: STU v
Bratislave, 2009, ISBN 978-80-89402-08-3.
18. Kubica, J., Technologický model výroby a spracovania
bioplynu. Diplomová práca. Bratislava: STU FEI, 2006. 43 s.
19. Janíček, F. -- Kubica, J., Utilization of Biogas in Combined
Generation of Electrical Energy and Heat in Slovakia. Zeszyty
Naukowe Politechniki Opolskiej : Seria: Elektryka Z. 60, Nr. 323.
s. 125--128. ISSN 1429-1533.
20. Kubica, J. -- Pípa, M., Vodík ako vedľajší produkt pri
výrobe biobutanolu. EE časopis pre elektrotechniku a energetiku
Roč. 14, č. 3. s. 48--49. ISSN 1335-2547.
21. Pípa, M. -- Kubica, J., Výroba bioplynu metódou suchej
fermentácie biomasy. In Janíček, F. -- Reváková, D. -- Daruľa, I.
-- Kubica, J. -- Šulc, I. Energetika - ekológia - ekonomika : 8.
celoštátna konferencia s medzinárodnou účasťou. Vysoké Tatry - Nový
Smokovec, 27.-29.5.2009. Bratislava: STU v Bratislave, 2009, ISBN
978-80-89402-08-3.
22. Kubica, J. -- Pípa, M., Využitie odpadového tepla z
kogenerácie na zvýšenie podielu vyrábanej elektrickej energie
pomocou organického Rankinovho cyklu. In Janíček, F. -- Reváková,
D. -- Daruľa, I. -- Kubica, J. -- Šulc, I. Energetika - ekológia -
ekonomika : 8. celoštátna konferencia s medzinárodnou účasťou.
Vysoké Tatry - Nový Smokovec, 27.-29.5.2009. Bratislava: STU v
Bratislave, 2009, ISBN 978-80-89402-08-3.
23. Janíček, F. -- Kubica, J., Využívanie bioplynu na
kombinovanú výrobu elektriny a tepla na Slovensku. In Electric
Power Engineering 2007 : International Scientific Conference. Kouty
nad Desnou, Czech Republic, 12.-14.6.2007. Ostrava: Vysoká škola
báňská - Technická univerzita v Ostravě, 2007, ISBN
978-80-248-1391-2.
24. Pípa, M. -- Kubica, J. -- Janíček, F., Zvyšovanie využitia
primárnej energie v systémoch s kogeneračnými jednotkami. In
Electric Power Engineering 2010 : Proceedings of the 11th
International Scientific Conference. Kouty nad Desnou, Czech
Republic, 12.-14.5.2009. Brno: Brno University of Technology, 2010,
s. 229--232. ISBN 978-80-214-4094-4.
25. Pípa, M. - Kubica, J. - Janíček, F.: Project of Experimental
ORC Unit for Use of Excess Heat from the Cogeneration Unit. In:
Power Engineering 2011. Renewable Energy Sources 2011 : Tatranské
Matliare, Slovakia, June 7-9, 2011. - Bratislava : Slovak
University of Technology in Bratislava, 2011. - ISBN
978-80-89402-38-0. - USB flash
ÚvodTézy a ciele dizertačnej práce1. BiomasaVznik
biomasyEnergetický potenciál biomasyRozdelenie biomasyMotivácia
využívať biomasu
2. Produkty spracovania biomasyBioplyn a biometánMateriály
vhodné na fermentáciu
3. Technológie na využitie biomasyEnergetické využitie
biomasyAnaeróbna fermentáciaÚprava bioplynuFermentorKogeneračné
jednotkyPalivové článkyTypy palivových článkov
4. Parametrický model využitia biomasyKoncepcia prvkov
parametrického modeluVstupné parametre modeluProdukty a odpadyOpis
modelu bioplynovej staniceVstupy bioplynového procesuExperimentálna
bioplynová stanica STU na suchú fermentáciuExperimentálna prevádzka
bioplynovej stanice
5. Potenciál bioplynu na SlovenskuPoľnohospodárska
biomasaProdukcia živočíšnych exkrementovBioplynové stanice na
Slovensku
ZáverVedecký a praktický prínos práceSummaryZoznam použitej
literatúryVybrané publikácie autora